LPG球罐檢測爬壁機器人遠(yuǎn)程控制技術(shù)研究

鄭亞東 劉朝華 金哲成 王明科 胡立強

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機器人及智能裝備研究院，天津 300222）

目前，隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas，LPG）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。大多數(shù)的LPG儲存球罐采用混合式排板焊接而成。LPG球罐在使用一段時間后，常在焊縫處出現(xiàn)H2S應(yīng)力腐蝕開裂的問題，有可能造成液化石油氣泄漏、燃燒以及爆炸等安全問題[1-3]。因此，LPG球罐焊縫檢測對安全生產(chǎn)至關(guān)重要。當(dāng)前，常用的球罐焊縫檢測方法仍是檢測人員手握超聲檢測設(shè)備沿著支架進行逐層檢測，導(dǎo)致檢測人員長時間暴露在危險的環(huán)境中，直接影響檢測人員的身體健康。LPG球罐的體型巨大，存在人工檢測不便、勞動強度大、安全性差以及檢測效率低下等問題[4]。近年來，機器人代替人完成簡單重復(fù)、高危險性、高強度的勞動逐漸成為未來的發(fā)展趨勢[5-6]。針對上述LPG球罐檢測存在的問題，本文開發(fā)了一種遠(yuǎn)程控制的檢測機器人。通過遠(yuǎn)程操控機器人進行現(xiàn)場作業(yè)，既可以保證工人的勞動安全，也可以提高檢測效率。

LPG罐體為鐵磁材料，因此可采用磁吸附爬壁機器人攜帶探傷設(shè)備進行檢測作業(yè)。目前，很多學(xué)者對磁吸附爬壁機器人進行了研究。安會朋[7]等設(shè)計了一種永磁吸附三輪步進結(jié)合的機器人，其以AT89C51控制器為核心的控制模塊采取紅外通信進行遙控。但是，由于紅外線本身的限制，紅外線遙控?zé)o法穿過障礙物進行遙控或者以很大的角度遙控設(shè)備，導(dǎo)致其抗干擾能力不佳。何宏[8]等研制了一種永磁吸附爬壁機器人，其中主控制器采用S3C2440芯片，采取ZigBee技術(shù)來遠(yuǎn)程控制爬壁機器人。ZigBee的傳輸速度只有100 kb·s-1左右，且信號傳輸質(zhì)量較差。滕昊[9]研制了一種磁吸附爬壁機器人，其中主控制器采用STM32F103芯片，無線通信模塊選用CC1101芯片，但存在長時間接收會死機、弱信號飽和以及控制方式復(fù)雜等問題。

本文提出一種基于WiFi通信方式的履帶式磁吸附爬壁機器人控制方案，對爬壁機器人控制系統(tǒng)進行硬件設(shè)計和軟件開發(fā)，實現(xiàn)了對爬壁機器人的轉(zhuǎn)向、定速和定距的遠(yuǎn)程控制。

1 爬壁機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)設(shè)計，主要包括機載控制系統(tǒng)和上位機控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

機載控制系統(tǒng)以STM32F103為主控芯片，主要包括電源模塊、WiFi模塊以及電調(diào)模塊等。主控芯片主要用來控制爬壁機器人與計算機和WiFi模塊的通信，輸出PWM方波控制電機運動。電調(diào)模塊用來驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動。WiFi模塊將TTL電平轉(zhuǎn)為符合WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的形式[10-11]。下位機程序設(shè)計采用KeilVision5平臺，為各個硬件電路模塊編寫程序，主要有WiFi驅(qū)動程序、串口驅(qū)動程序以及PWM控制的電調(diào)程序。

圖1 控制系統(tǒng)總體框圖

基于MFC框架設(shè)計上位機監(jiān)控系統(tǒng)，將客戶端與機載控制系統(tǒng)服務(wù)器連接[12]。爬壁機器人啟動后，機載控制系統(tǒng)處于監(jiān)聽等待狀態(tài)。上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過WiFi模塊與其建立連接后將控制命令發(fā)給機載控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向、定速和定距的遠(yuǎn)程控制。

2 爬壁機器人機載系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

STM32F103具有5個USART接口，可以靈活與外部設(shè)備進行全雙工數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)使用搭載在APB1總線上的USART3串口。通過MAX3485芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，并用RS485串口與單片機進行通信。串口驅(qū)動電路原理如圖2所示。

ESP8266-12F WiFi模塊采用3.3 V電壓輸入，VCC接3.3 V供電，GND接地，GPIO0和GPIO2接10 kΩ上拉電阻，默認(rèn)設(shè)置為工作模式。TXD串口發(fā)送引腳接單片機USART3的接收引腳PB11。RXD串口接收引腳接單片機USART3的發(fā)送引腳PB10。RST復(fù)位引腳默認(rèn)接1 kΩ上拉電阻，低電平時有效。WiFi模塊電路如圖3所示。

爬壁機器人使用12 V直流減速電機，采用兩個有刷電調(diào)驅(qū)動。將信號線和地線連接到單片機上，兩個電調(diào)的信號線接到單片機的引腳PB6和PB7上，最終單片機輸出PWM信號對兩個電調(diào)進行控制。電調(diào)會根據(jù)接收的信號發(fā)出相應(yīng)的提示音，當(dāng)信號接收成功后，可根據(jù)后續(xù)接收到的信號驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。根據(jù)信號的變化控制電機轉(zhuǎn)動的速度，可形成兩個電機之間的差速，完成對方向的控制。電調(diào)控制模塊原理如圖4所示。

圖2 串口驅(qū)動電路圖

圖3 WiFi模塊電路圖

圖4 電調(diào)控制電路圖

3 爬壁機器人機載系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 串口通信程序設(shè)計

單片機與WiFi模塊之間采用串口中斷的方式進行通信。在中斷服務(wù)函數(shù)中，通過一個數(shù)組ARRAY_RX[]、一個16位的全局變量USART3_RX_STA和一個基本定時器來管理串口數(shù)據(jù)。

當(dāng)接收到WiFi模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)時，先把數(shù)據(jù)保存到ARRAY_RX[]中，同時USART3_RX_STA中記錄接收到的有效數(shù)據(jù)個數(shù)，之后使能一個定時器6。若100 ms后沒有新數(shù)據(jù)傳入，則觸發(fā)定時器更新中斷，將USART3_RX_STA的第15位標(biāo)記，而后數(shù)據(jù)接收結(jié)束，等待其他程序?qū)⒃撐磺宄?。此外，?dāng)數(shù)據(jù)過大超出ARRAY_RX[]的大小時，強制接收結(jié)束。

3.2 基于PWM的電調(diào)程序設(shè)計

對定時器和電調(diào)進行初始化，根據(jù)電調(diào)的驅(qū)動特點，將定時器時鐘初始化為50 Hz，并調(diào)節(jié)占空比，依次給電調(diào)一個高油門信號和低油門信號，完成初始化電調(diào)。上位機發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機，單片機讀取數(shù)據(jù)并將讀取到的數(shù)據(jù)賦值給ARR自動重裝載寄存器，后與CCR捕獲寄存器值進行比較發(fā)送PWM方波。

電調(diào)出廠時對電機做保護，使電調(diào)可接收的PWM信號范圍為40%～100%。當(dāng)占空比為73%時，電調(diào)處于中心點學(xué)習(xí)位置，此時電機轉(zhuǎn)速為零，實驗室測得占空比與行進速度的關(guān)系分別如表1和表2所示。

表1 占空比與前進速度對應(yīng)表

表2 占空比與后退速度對應(yīng)表

利用MATLAB數(shù)值分析軟件對爬壁機器人速度和占空比做二次擬合，得到占空比與行進速度關(guān)系曲線圖，如圖5和圖6所示。由此計算占空比與行進速度的函數(shù)關(guān)系式，可得：式中：yF表示前進速度與占空比的函數(shù)關(guān)系式；yB表示后退速度與占空比的函數(shù)關(guān)系式；x為爬壁機器人行進速度；yF和yB為單片機輸出PWM的占空比。

圖5 爬壁機器人前進速度與占空比關(guān)系曲線圖

圖6 爬壁機器人后退速度與占空比關(guān)系曲線圖

4 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

上位機監(jiān)控系統(tǒng)使用Visual Studio平臺下的MFC框架開發(fā)。MFC是面向?qū)ο蟮暮瘮?shù)庫，可以簡化設(shè)計者操作步驟，直接利用現(xiàn)有的函數(shù)庫設(shè)計出窗口化的應(yīng)用程序。

爬壁機器人的上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖7所示。輸入服務(wù)器IP地址和端口地址后，點擊連接按鈕，顯示連接服務(wù)器成功。在“定速”“定距”框中輸入數(shù)據(jù)，按下“確定行程”按鈕后，計算機將編輯框中的速度值按式（1）和式（2）進行計算轉(zhuǎn)化，并以特定格式發(fā)送給單片機。單片機根據(jù)接收到的比較值設(shè)定占空比，從而控制電機轉(zhuǎn)速。在上位機按下“前進”“后退”“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“停止”按鈕，可以實時控制爬壁機器人的各種運動狀態(tài)。

圖7 上位機監(jiān)控界面圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)上電后，各模塊電源指示燈亮起，說明系統(tǒng)供電正常。上位機的監(jiān)控界面輸入設(shè)定的速度和距離后，通過無線路由器將控制命令發(fā)送給單片機，隨后爬壁機器人按照上位機界面設(shè)定的速度和距離上、下、左、右進行運動。爬壁機器人實測圖片如圖8所示。

1 000 m3球罐圓心處直徑26.50 m，總高（含支腿）37.84 m，球罐頂點到上位機監(jiān)控系統(tǒng)的距離40 m，現(xiàn)場檢測環(huán)境空曠。在空曠地帶爬壁機器人的遠(yuǎn)程控制范圍可達100 m，在較多障礙物遮擋時，機器人遠(yuǎn)程控制范圍可達60 m，滿足檢測需求。遠(yuǎn)程測試如圖9所示。

圖8 爬壁機器人實測圖

圖9 爬壁機器人遠(yuǎn)程實測圖

6 結(jié)語

針對LPG球罐檢測爬壁機器人遠(yuǎn)程控制的需求，研制了一種基于WiFi的無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對爬壁機器人的無線遠(yuǎn)程遙控，滿足了對LPG球罐爬壁檢測的需求。通過遠(yuǎn)程操控機器人現(xiàn)場作業(yè)，檢測人員可以實時控制爬壁機器人的速度與方向，既保證了工人的勞動安全，也極大地提高了檢測效率。通過長時間的運行和重復(fù)實驗，該遠(yuǎn)程控制方法能滿足實際的要求，但系統(tǒng)仍有缺陷，如機器人轉(zhuǎn)向的靈活性較差，因此后續(xù)可以對此加以優(yōu)化。